不同水氮供應模式對設施番茄生長及產量的影響

張新燕，王浩翔，牛文全,2*

(1.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100； 2.西北農林科技大學 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

【研究意義】水肥的合理利用是提高作物生長和產量的關鍵因素[1-2]。番茄需求量大，營養價值高，是蔬菜類生產中產量最高的品種，在我國可四季生產，但由于水肥施用不當而影響到番茄的生長和產量的提高[3-4]。國內外學者對滴灌施肥條件下番茄的生長發育、產量等方面進行了大量研究。【研究進展】研究[5-6]發現滴灌施肥可以同時節肥并提高作物產量，增加施肥量和適當上調灌水下限可以顯著提高番茄的光合速率、干物質量，并通過滴灌施肥番茄的水肥調控效應發現，節水25%和節肥25%可獲得最高的產量和水分利用效率[7]，且認為不同施入方式下灌水量和施肥量對番茄植株的影響很大，與常規溝灌施肥相比，滴灌施肥產量與灌水量和施肥量正相關，增加施肥量帶來的增產效應大于灌水，且增加灌水量，降低施肥量，水分利用效率逐漸下降，肥料偏生產力逐漸上升[8]。對膜下滴灌施肥番茄水肥供應量的優化研究發現灌水量和施肥量對番茄株高、產量影響顯著，番茄莖粗與施肥量差異顯著[9]。施肥量對秋冬茬番茄單果質量具有負效應，果實產量隨著施肥量增加呈先上升后下降的拋物線趨勢[10]。滴灌施肥模式除了考慮灌水量和施肥量因素外，田間滴灌布置方式對其也有重要影響。在沙地番茄覆膜滴灌條件下，1 管1 行布置方式其15 cm土層深度土壤含水率大于1管2行布置，且大于30 cm 土層深度，而滴灌帶數量對產量沒有顯著影響[11]，增大滴管帶間距是減少滴灌系統投資的重要因素之一[12]，1 管2 行布置比1 管1 行布置滴灌帶長度減少25%～50%、微管減少33%～55%，可節省投資35%～41%[13]。【切入點】國內對設施番茄滴灌施肥的研究中基本沒有考慮田間滴灌毛管布置方式的影響，國外主要考慮滴灌布置方式的影響，很少考慮結合水肥共同作用進行研究，而三者對番茄生長均有互作效應。為此，本研究通過設施番茄滴灌施肥模式試驗，研究設施番茄不同田間滴灌毛管布置方式、灌水量、施肥量的優化配置。【擬解決的關鍵問題】探索水肥一體化滴灌系統模式和設計方法，以期為設施番茄水肥一體化技術的推廣應用提供技術支撐和理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗地位于陜西楊凌西北農林科技大學北區旱作實驗溫室，位于東經108°04'，北緯34°50'。室外年平均氣溫13 ℃，多年平均降水量645 mm，年平均蒸發量1 500 mm。溫室長度24.5 m、跨度6 m、高度2.5 m，內均分為27 個測坑（小區），測坑長2 m、寬1.5 m，深度2 m。測坑四周及底二四磚砌墻，水泥抹面，不透水；坑內土壤為楊凌壤土，體積質量1.35～1.40 g/cm3，土壤基本理化性質為：pH 值7.86，有機質量1.152%，全氮量0.123%，全磷量0.078%，全鉀量1.850%。

供試番茄品種為毛粉802，為無限生長型的中晚熟品種，具有果實肉厚，不易裂果，品質佳，商品性好，坐果力強，產量高等特點。供試氮肥為尿素，含氮46%。

滴灌施肥設備主要由水源、水表、液壓比例施肥泵、滴灌管和輸配水管道系統等組成。供試用比例施肥泵進出水口徑25 mm，流量20～2 500 L/h，水壓0.02～0.3 MPa。采用內鑲式滴灌管，管徑d=16 mm，壁厚0.20 mm，工作壓力50～100 kPa，滴頭間距0.30 m，額定流量2.0 L/h。

1.2 試驗設計

設置田間滴灌毛管布置方式、灌水量和施氮量3個因素。滴灌毛管布置方式設為1 管1 行（T1，滴灌管布設于各植株行）、1 管2 行（T2，滴灌管布設于2植株行間）和1 管3 行（T3，滴灌管布設于3 植株行的中間行）3 個水平。灌水量設為50% ET0（W1）、70% ET0（W2）和90% ET0（W3）3 個水平（ET0根據王健等[14]日光溫室Penman-Monteith 修正公式，估算結果為310 mm）。參照當地施肥管理，施氮肥量設為120 kg/hm2（N1）、180 kg/hm2（N2）、240 kg/hm2（N3）。采用三因素三水平正交試驗設計，每個處理3 個重復，共27 個小區。番茄幼苗移栽定植時，按照番茄植株行距50 cm、株距30 cm，南北行向種植。

試驗前對棚室測坑土地進行翻耕、平整。首先按施用量20 010 kg/hm2施入有機質量為43%的有機底肥，深翻。6 月15 日定植，定植后所有處理均灌定植緩苗水30 mm。之后平均每隔約10 d 灌1 次水，在番茄生長期間（6 月24 日—9 月25 日）共灌水10次，試驗W1、W2、W3處理實際灌水總量分別為160、220、280 mm。灌水量通過水表計量控制。不同處理氮肥各等分為10 份，配成肥液，通過液壓比例施肥泵隨灌溉水施入。田施磷肥（120 kg/hm2）全部基施，在結果期的第1 穗果膨大期和第2 穗果膨大期追施鉀肥（150 kg/hm2），其他管理遵照溫室番茄管理措施進行。

根據番茄生長特性結合田間實地觀測，對比番茄生育階段劃分標準，將番茄生育期劃分為苗期（6 月15 日—7 月25 日，包括緩苗期），花期（7 月26 日—8 月5 日），結果成熟期（8 月6 日—9 月25 日）。

1.3 測定指標及方法

株高、莖粗的測定：隨機選取小區中不同株行長勢正常的3 株植株作為測定樣本，在植株定植后20 d開始測量，每間隔15 d 測1 次。番茄各生育期植株株高用直（卷）尺測量從植株根部到頂端，莖粗用游標卡尺測植株莖稈子葉節上面的第1 節間。

葉面積指數測定：采用長寬乘積法，量出測坑中樣本植株的每一片綠葉長和寬，并采用計數法記錄測坑植株數和樣本植株葉片數，計算單株葉面積和葉面積指數。

光合作用：在天氣晴朗，光照充分的09:00 左右，選取植株樣本上頂葉，采用LI-6400 便攜式光合測定儀（LI-COR，Lincoln，USA）測光合作用。

葉綠素SPAD 測定：選取植株樣本靠近中上部、位置相同的健康葉片，采用手持便攜式SPAD-520 葉綠素測定儀測定葉片SPAD 值。

產量測定：在果實成熟期，分別采摘每個小區成熟果子，用電子天平稱質量。

2 結果與分析

2.1 水氮供應模式對番茄生長指標的影響

2.1.1 水氮供應模式對番茄株高莖粗的影響

由表1 可知，番茄株高隨著生育階段的發展而增高，苗期不同處理株高差異不明顯，平均株高35.6 cm。隨著植株生長，不同處理的影響差異隨之增大，花期最大株高（T1W3N3 處理）與最小株高（T1W1N1 處理）相差20.7 cm，至結果成熟期最大株高（T1W3N3處理）與最小株高（T3W1N3 處理）相差32.3 cm，其差異增大了約1/3，且平均株高增加到142.8 cm。

番茄莖粗隨著生育階段發展而增大，苗期平均莖粗僅有2.8 mm，到結果期莖粗增加到12.8 mm。處理之間的差異也隨著生育期的發展而增大，由苗期相差1.0 mm 增大到結果成熟期最大莖粗（T1W3N3 處理）與最小莖粗（T3W1N3 處理）相差5.7 mm，增大了近6 倍。

表1 分析了不同管道布置方式T、灌水量W 和施氮量N 對番茄株高、莖粗的顯著性影響。隨灌水量和施氮量的增加，植株株高和莖粗增加，僅在生育后期施氮影響表現不同，N2 處理株高和莖粗最大，N3處理次之，可見適宜的施氮水平可以促進番茄生長，過多過少都會限制其生長發育。不同水氮供應模式下苗期（7 月5 日）番茄株高均沒有顯著差異；灌水水平在生育中后期均差異顯著；施氮N2 和N3 水平在結果初期（8 月5 日）株高沒有顯著差異，其他均有顯著差異。不同灌水水平和施氮水平下植株莖粗均沒有顯著差異，僅灌水水平在生長中后期差異顯著。相較于灌水因素和施氮因素，毛管布置方式的影響較小。毛管布置方式T1 和T2 水平下花期（7 月20 日）番茄株高和莖粗有顯著差異，而T3 水平與T1、T2 水平除苗期外均差異顯著；不同毛管布置方式對植株莖粗的影響均沒有顯著差異。

表1 番茄株高莖粗的變化 Table 1 Change of stem length and thick of tomato

2.1.2 水氮供應模式對番茄葉面積指數LAI 的影響

葉面積指數是反映作物群體大小的動態指標。如圖1 所示，不同水氮供應模式番茄葉面積指數隨著番茄植株生長先增大后減小。由于苗期各處理番茄植株葉片較少，且單片葉片葉面積較小，苗期葉面積指數LAI 平均值僅為1.67，各處理間差異最小，相差僅0.36。隨著生長，在番茄花期各處理葉面積指數增長速度相對加快，與生育時間基本成直線增加，到花期LAI 平均值增加到2.47，至結果初期，葉面積指數已達到最大值6.19。之后逐漸減小，到結果中期番茄植株底部的葉片開始衰亡，葉面積指數減小為5.46，后期僅為5.01。各處理間差異最大出現在結果初期，最大值（T1W2N2 處理）與最小值（T3W2N1 處理）相差2.57。

圖1 水氮供應模式下番茄葉面積指數Fig.1 Tomato LAI on water and N-fertilization supply

圖2 水氮供應模式下番茄凈光合速率 Fig.2 Tomato Pn on water and N-fertilization supply

2.2 水氮供應模式對番茄生理指標的影響

2.2.1 水氮供應模式對番茄光合作用的影響

番茄凈光合速率在整個生育期呈波浪形變化（圖2），苗期光合作用較弱，平均值6.40 μmol/(m2·s)，花期光合作用增強，平均值基本達到峰值，15.61 μmol/(m2·s)，且不同處理間差異增大。到番茄結果期，初期光合作用較強，后期較快速減小，下降幅度最大的是T3W2N1 處理，幅度達到12.6 μmol/(m2·s)。由表2 可見，在番茄生育期，不同毛管布置方式下光合作用沒有顯著差異。在苗期，不同灌水量水平和施氮量水平光合作用差異顯著，在其他生育階段灌水W1水平和W2、W3 水平有顯著差異，而W2 水平和W3水平間沒有顯著差異，施氮水平結果類同，僅在結果中期（8 月20 日）N3 水平與N1、N2 水平差異顯著。可得，對番茄光合影響最大的是灌水因素，隨灌水量的增加，光合作用增強，反映了葉片對水分狀況的敏感，間接反映了土壤水分對光合速率的影響。其次是施氮因素，基本表現為隨著施氮量的提高，光合作用增強。而毛管布置方式對光合影響最小。

表2 番茄光合速率和葉綠素的變化 Table 2 Change of photosynthetic rate Pn and SPAD of tomato

2.2.2 水氮供應模式對番茄葉綠素SPAD 的影響

由表2 可知，在番茄生育期間，不同毛管布置方式下SPAD 沒有顯著差異。在苗期和花期灌水水平W1 和W2 有顯著差異，但W2 和W3 水平無顯著差異，到結果末期，不同灌水水平均沒有顯著差異，到結果末期，不同灌水水平均沒有差異；施氮N2 和N3水平在各個階段無顯著差異，但和N1 水平有差異。可見適宜的灌水和施肥即可保證植株代謝和生長需求，過高灌水（W3）和施氮（N3）并沒有促進代謝。同時，可以得出對番茄葉綠素量影響最大的是施肥因素，N2 水平葉綠素SPAD 最大，N3 水平次之。其次是灌水因素，同樣表現為W2 水平葉綠素SPAD 最大，W3 水平次之。可見適宜的施氮量和灌水量有利于葉綠素SPAD 值提高。

表3 水氮供應模式對番茄產量的影響 Table 3 Effect on yield of tomato on water and N-fertilization supply

2.3 水氮供應模式對番茄產量影響

水氮供應模式對番茄產量的影響見表3。灌水因素W 和施氮因素N 對番茄產量均有顯著性影響，灌水水平W1 和W2 下番茄產量產生極顯著差異，W2和W3 水平差異不顯著；施肥水平N1、N2、N3 均差異顯著，N1 和N2 以及N2 和N3 水平均沒有極顯著差異，但N1 和N3 水平之間差異極顯著。不同毛管布置方式T1、T2、T3 水平均沒有極顯著差異，而T2 和T3 水平產生顯著差異。由極差分析可得，產量極差最大的是灌水因素，為18 237.2 kg/hm2，其次為施氮因素，毛管布置方式最小，僅為4 706.5 kg/hm2，比較可知，獲得番茄高產的灌水量因素、施氮肥模式以及毛管布置方式的最優水平組合為W2、N3、T2，該處理平均產量最高，為107 104.0 kg /hm2。

柯布-道格拉斯（Cobb-Douglas）生產函數模型運用數學的方法來描述生產過程中變量與變量之間的依存關系，表達多種投入因素對產量的影響程度。研究中由于毛管布置方式對番茄產量沒有顯著影響，因此以灌水量（W）和施氮量（N）為自變量，蕃茄產量為因變量，通過邊際分析，建立Cobb-Douglas 模型為：

式中：Y 為產量（kg/hm2）；W 為灌水量（mm）；N為施氮肥量（kg/hm2）。

在試驗條件下，灌水量的生產彈性大于施氮肥量的生產彈性，即灌水量每增加1%，番茄產量增加約37%，施氮肥量每增加1%，番茄產量增加約30%。可見對番茄產量的影響，灌水因素大于施肥因素。

3 討 論

灌水對番茄株高、莖粗和葉面積指數等生長指標均有顯著影響，且影響大于施肥因素，株高和莖粗均隨灌水量和施氮量的增大而增大，葉面積指數隨著番茄植株生長先增大后減小。袁宇霞等[4]、張燕等[7]、王秀康等[9]研究結果均表明，增加灌水量和施肥量可以顯著提高番茄株高、莖粗、葉面積和產量，但施肥量過高也不利于番茄生長和產量提高。而賈宋楠等[10]研究發現，試驗條件下施肥量對設施番茄葉片數影響不顯著，與株高和葉面積正相關，但因試驗中施肥處理不同，施肥量與莖粗成負相關。同時，番茄生長指標也受其生育時期的影響而不同，張燕等[7]發現生育前期不同水肥處理莖粗無顯著差異，至生育末期出現顯著差異。

設施番茄的光合作用在花期達到最強，受灌水和施肥模式的影響差異顯著，且影響最大的是灌水因素，隨灌水量的增加，光合作用增強，其次是施肥水平，基本表現為隨著施肥水平的提高，光合作用增強。袁宇霞等[4]、張燕等[7]也發現增加施肥量和適當上調灌水下限可以顯著提高番茄的光合速率和產量。而番茄葉綠素水平受施氮肥量影響較大，其次是灌水因素。研究發現適宜的灌水和施肥有利于葉綠素SPAD值提高，過高過低都會影響葉綠素水平。

與王秀康等[9]研究結果相同，灌水因素和施肥處理對番茄產量影響均差異顯著。在現有地力和生產力水平下，對番茄產量的影響，灌水因素大于施肥因素，灌水量每增加1%，番茄產量增加約37%，施肥量僅使產量增加不足30%。而邢英英等[8]認為水、肥是作物生長的2 大影響因子，不合理的灌溉與氮肥量不僅難于增加產量，還會使土壤累積硝態氮，造成環境污染。產量和植株氮素吸收量均與灌水量和施氮肥量正相關，增加施肥量帶來的增產效應大于灌水。賈宋楠等[10]研究得出施肥量對秋冬茬設施番茄單果質量具有負效應，果實產量隨著施肥量增加呈先上升后下降的拋物線趨勢，即適量施肥可提高產量及水分利用效率。造成以上不同研究結果的原因均與具體的實驗條件控制及當地的地力水平等因素有關。

不同毛管布置方式下番茄生長指標和產量均沒有極顯著差異。1 管3 行毛管布置灌水不均勻，影響番茄植株生長和產量，而1 管1 行和1 管2 行布置方式在產量上沒有顯著差異。由于受當地土壤、環境等具體條件影響不同，這與Mbarek 等[15]的研究不同。Mbarek 等[15]研究了滴灌技術不同毛管布置方式對溫室番茄產量的影響，得出1管2行產量最高。而Satpute等[13]研究了沙壤土滴灌帶鋪設方式和種植結構對番茄產量和系統投資的影響，認為種植結構對產量沒有顯著影響，而1 管2 行布置比1 管1 行布置可節省投資35%～41%。因此綜合考慮田間鋪設的管道數量和投資，1 管2 行較1 管1 行節約用管，結合不同毛管布置方式對番茄生長和產量的影響等因素，1 管2 行是最佳毛管布置方式。

4 結 論

1）隨灌水量和施氮量的增加，番茄株高和莖粗增大，光合作用增強，灌水對株高、莖粗、光合作用的影響明顯大于施氮影響。葉面積指數LAI 呈先增大后減小的趨勢。適宜的灌水和施氮有利于葉綠素SPAD 值提高。

2）灌水因素和施氮模式對番茄產量影響顯著，且灌水因素大于施氮因素。獲得番茄高產的灌水量因素、施氮模式以及毛管布置方式的最優水平組合為W2（70%ET0）、N3（240 kg/hm2）、T2（1 管2 行）。